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- 일반적으로 하상저하에 따른 하도종단형태의 변화는 그림 5와 같이 (a)하상이 거의 평행으로 저하하는 평행저하형과 (b)하상이 상류에서 저하하기 시작하는 상류저하형으로 나눌 수 있다. 평행저하형은 대개 자연하천 중상류부 구간에서 발생하며, 상류저하형은 유사공급이 풍부한 유역에 위치한 하천의 하류부 구간과, 낙차공 및 보 등 횡단수리구조물이 설치되어 있는 지점에서 하류방향으로 상당한 구간에 걸쳐 발생한다.
제안 방법
- 고정상 모형 보정을 위한 유량은 일반적으로 최소유량, 최대유량, 고수부 유량(고수부지 높이까지 수위가 형성될 때의 유량)을 사용하며, 본 연구에서는 ‘97년의 유량자료를 이용하여 금남 수위표 지점의 수위자료를 이용하여 모형의 보정을 실시하였다.
- 준시계열성 유량이란 연속적으로 변하는 1년간의 유량변동을 특정 지속기간동안 유량이 변하지 않는 불연속 유량으로 나열시켜 시계열성을 지닌 유량을 대신하는 것을 말한다. 따라서, 지속기간 및 유량조건에 따라 하상변동 형태가 달라질 수 있는데, 본 연구 에서는 공주수위표 지점은 대청댐 건설이후인 1982년부터 2005년 24개년의 일유량 자료를, 미호천 석화수위표 지점은 1966년부터 2005년까지 40개년의 일유량 자료를 이용하여 분석한 일평균 유량을 이용하여 분석하였다.
- 또한 본 연구 대상구간내 유사량 측정자료는 금강의 공주수위표 및 미호천의 석화수위표에 대해 『금강 유역조사, 2006, 건교부』와 ‘07년 측정한 자료가 있으며, 본 연구시 적용한 유사량 자료는 상기 보고서에서 측정한 자료를 이용하여 표 1과 같이 유량-유사량 관계식을 도출하여 유량규모별로 적용하였다.
- 상기한 자료와 모형보정을 실시한 후 ‘88년에서 ’02년까지 각 방법별 하상변동 모의결과를 실측치와 비교하였다. 또한, 금회 연구대상구간이 골재채취가 많이 발생한 구간임을 감안하여 골재채취량을 고려한 경우와 골재채취량을 고려하지 않은 자연상태에서의 하상변동 결과를 검토하였다.
- 본 연구에서 적용 모형에 대한 보정은 고정상 모형을 수행하여 흐름모형의 매개변수 및 수면고의 이상치를 보정한 후, 이동상 모형에서 Yang, Ackers & White, Laursen 등 3가지 공식을 이용하여 예측한 각 공식별 하상변동량과 실측치를 비교하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 ‘90년대 이후 골재채취가 시행된 금강 및 미호천을 대상으로 하상경사, 마찰속도 등 하도의 수리특성량과 수치모형을 이용하여 다음과 같이 장래하상변동을 예측하였다.
- 본 연구에서의 모의유량은 모형 검∙보정을 위한 유량과, 장래 하상변동을 위한 유량으로 구분하여 적용하였다.
- 장래 하상변동을 위한 모의 유량은 준시계열성을 가진 유량을 통해 실시하였다. 준시계열성 유량이란 연속적으로 변하는 1년간의 유량변동을 특정 지속기간동안 유량이 변하지 않는 불연속 유량으로 나열시켜 시계열성을 지닌 유량을 대신하는 것을 말한다.
- 모형 검∙보정을 위한 유량은 1989년부터 2000년까지 공주수위표 및 석화수위표 지점의 일유량을 1일단위로 입력하였으며, 과거 대규모 홍수가 발생한 ‘95년, ’97년, ‘98년의 홍수기 에는 시간단위 유량을 사용하였다. 지류하천의 측방유입 유량은 미호천은 석화수위표를 기준으로 단위면적당 유량을 이용하여 산정하였으며, 금강은 공주수위표 지점을 기준으로 비유량을 이용하여 산정하였다.
- 하도안정과 관련한 하도특성량으로는 하상경사, 대표입경, 저수로내 평균수심, 에너지 경사, 마찰속도, 무차원 소류력, 수면폭-수심비 및 수심-입경비 등이 있다. 하도의 안정성은 이와 같은 하도특성량을 토대로 종합적으로 평가하여야 하며, 본 연구에서는 하도특성량 중 하상경사, 마찰 속도를 이용하였다.
- 하상변동실태를 파악하기 위해 ‘88년, ’02년 및 ‘07년 측량성과를 이용하여 측점별 세굴량과 퇴적량을 분석하였다.
- 하상재료는 ‘88년, ’02년 하천정비기본계획시 채취한 자료가 있으며, ‘07년 하상변동조사시에는 종단방향 1 km 간격마다 이동사주를 중심으로 1 개 지점을 채취하는 것을 원칙으로 하고, 무제부 암벽구간으로 수변 접근이 불가능하거나 교량, 보 등의 횡단구조물에 의한 교란이 극심한 구간에서는 현장여건을 고려하여 조사 위치를 조정하였다. 하상재료 채취방법은 대상 하천인 금강 및 미호천의 하상재료가 잔자갈 이하의 모래로 구성되어 있어 부피채취법을 채택하였다.
대상 데이터
- 대상하천 구간에 대한 하상재료에 대한 자료로는 ‘88년과 ’02년 하천정비기본계획과 ‘07년 하상 변동조사시의 분석 자료가 있다.
- 모형 검∙보정을 위한 유량은 1989년부터 2000년까지 공주수위표 및 석화수위표 지점의 일유량을 1일단위로 입력하였으며, 과거 대규모 홍수가 발생한 ‘95년, ’97년, ‘98년의 홍수기 에는 시간단위 유량을 사용하였다.
- 53km) 까지 구축하였다. 모형의 횡단자료는 모형 검∙보정시에는 1988년 『금강수계종합정비계획, 건설부, 1988』에서 측량한 단면을 초기단면으로 이용하였으며, 장래 하상변동 예측시에는 2007년 횡단자료를 이용하였다.
- 본 연구대상 지역은 청벽대교 하류 및 불티교 상류(금강) 및 월산교 상류(미호천) 구간 등 일부 구간을 제외하고는 하천제방 구간으로 ‘88년 이후 하천개수공가가 거의 완료되어 하폭의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 본 연구의 대상하천은 국가하천인 금강과 미호천으로 금강은 갑천 합류점에서 공주수위표까지약 30km, 미호천은 하구에서 석화 수위표까지 약 10km 구간이며, 대상하천 구간내 과거 하천단면은 1988년과 2002년(하천정비기본계획), 2007년(하상변동조사)의 자료가 있다. 본 연구에서는 1988년 단면자료를 이용하여 2002년 단면을 비교하여 모형을 검증하였으며, 2007년 자료를 이용하여 장래하상을 예측하였다. 또한, 본 연구 대상구간내 과거 골재채취는 1988년~2006년까지 총 7,100만㎥으로 연평균 약 374만㎥을 채취한 것으로 조사되었다.
- 본 연구에서는 국내 하천 중 신뢰성 있는 하천 단면자료와 유사이동 수치모형을 위한 하상재료 및 유량, 유사량 자료가 존재하고 과거 하상변동이 크게 발생한 금강 및 미호천 구간을 대상으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 이동상 모형의 검·보정을 위해서는 ‘88년 하천정 비기본계획에서 채취한 하상재료 분석결과를 이용하였으며, 장래하상변동 예측시에는 ’07년 채취한 분석결과를 이용하였다.
- 본 연구의 대상하천은 국가하천인 금강과 미호천으로 금강은 갑천 합류점에서 공주수위표까지약 30km, 미호천은 하구에서 석화 수위표까지 약 10km 구간이며, 대상하천 구간내 과거 하천단면은 1988년과 2002년(하천정비기본계획), 2007년(하상변동조사)의 자료가 있다. 본 연구에서는 1988년 단면자료를 이용하여 2002년 단면을 비교하여 모형을 검증하였으며, 2007년 자료를 이용하여 장래하상을 예측하였다.
- 하상재료는 ‘88년, ’02년 하천정비기본계획시 채취한 자료가 있으며, ‘07년 하상변동조사시에는 종단방향 1 km 간격마다 이동사주를 중심으로 1 개 지점을 채취하는 것을 원칙으로 하고, 무제부 암벽구간으로 수변 접근이 불가능하거나 교량, 보 등의 횡단구조물에 의한 교란이 극심한 구간에서는 현장여건을 고려하여 조사 위치를 조정하였다.
데이터처리
- 상기한 자료와 모형보정을 실시한 후 ‘88년에서 ’02년까지 각 방법별 하상변동 모의결과를 실측치와 비교하였다.
이론/모형
- 장기하상변동 예측을 위한 수치모형은 HEC-6 모형을 이용하였으며, 수위 계산은 다음과 같은 일차원 연속방정식과 에너지 방식을 이용하여 산정한다.
- 하상변동을 모의하기 위한 기본방정식은 다음과 같은 Exner 방정식을 이용한다.
성능/효과
- 그러나 그 외 대부분이 구간에서는 미미한 퇴적이 발생할 것으로 예측되었다. 금강과 미호천의 장래 하상변동분석 결과를 종합해 볼 때 지점별로 세굴 또는 퇴적이 미미하게 발생할 것으로 예측되며, 인위적인 골재채취가 없다면 점차 하상이 안정화 될 것으로 판단된다.
- 금강은 미호천 합류부 상류구간에서 마찰속도가 감소하는 경향이 있어 퇴적이 발생할 잠재성이 큰 것으로 나타났고, 장래 하상변동에서도 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 청벽대교에서 용수천 구간에서는 마찰속도가 증가하여 세굴이 발생할 잠재성이 큰 것으로 나타났으며, 장래 하상변동 예측에서도 미미하지만 세굴이 발생하는 것으로 나타났다.
- 마찰속도를 이용하여 하상변동의 잠재성을 분석해 보면, 금강의 경우 미호천 합류부 구간은 마찰속도가 줄어드는 것으로 나타나 퇴적이 예상되며, 미호천 합류부에서 용수천 합류부 구간에서는 마찰속도의 변화가 없어 하상이 안정될 것으로 판단된다. 또한, 용수천 합류부에서 청벽대교 구간은 상류에서 하류로 갈수록 마찰속도가 증가하고 있어 세굴이 발생할 가능성이 크며, 그 이후 구간은 미미하나마 퇴적할 잠재력을 지닌 것으로 평가된다.
- 미호천은 수몰두강보 상류구간에서 마찰속도가 감소하여 세굴이 발생할 잠재성이 큰 것으로 나타났으며, 장기 하상변동 예측 결과에서도 세굴이 발생하는 것으로 예측되었다. 그러나 그 외 대부분이 구간에서는 미미한 퇴적이 발생할 것으로 예측되었다.
- 이상과 같이 하상경사를 통한 금강 및 미호천의 향후 하상변동의 잠재성을 평가해 보면, 금강의 경우 공주대교 하류에서는 경사가 급해져서 세굴이 발생할 가능성이 크며, 공주대교 상류지역은 공주대교 돌보에 의해 하상경사가 완만해져 퇴적이 발생되고, 이후 청벽대교 상류지역에서 하상경사가 급해져 일부 세굴이 발생할 가능성이 큰 것으로 나타났다. 미호천은 전체적으로 하상경사가 완만하여 퇴적의 경향이, 하류부에서는 하상경사가 급해 세굴이 발생할 가능성이 큰 것으로 나타 났으나, 인위적인 골재채취가 중단되면, 금강의 하상이 상승하여 ‘88년과 같이 하상경사가 완만해질 것으로 판단된다.
- 금강은 미호천 합류부 상류구간에서 마찰속도가 감소하는 경향이 있어 퇴적이 발생할 잠재성이 큰 것으로 나타났고, 장래 하상변동에서도 퇴적이 발생하는 것으로 나타났다. 청벽대교에서 용수천 구간에서는 마찰속도가 증가하여 세굴이 발생할 잠재성이 큰 것으로 나타났으며, 장래 하상변동 예측에서도 미미하지만 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 미호천 합류부에서는 마찰속도의 편차가 크고 국부적인 변동성이 큰 것으로 나타났으나, 전반적으로 퇴적의 경향이 크며, 장래 하상변동예측 결과에서도 퇴적이 발생하는 것으로 분석되었다.
- 청벽대교에서 용수천 구간에서는 마찰속도가 증가하여 세굴이 발생할 잠재성이 큰 것으로 나타났으며, 장래 하상변동 예측에서도 미미하지만 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 미호천 합류부에서는 마찰속도의 편차가 크고 국부적인 변동성이 큰 것으로 나타났으나, 전반적으로 퇴적의 경향이 크며, 장래 하상변동예측 결과에서도 퇴적이 발생하는 것으로 분석되었다.
- 하상의 종단적 변화(그림 4 참조)는 전반적으로 ‘88년에 비해 금강 및 미호천 모두 2 m 이상 저하되었고, 일부구간에서는 4 m이상 저하된 곳도 나타났으며, ’02년과 비교해서는 대부분 미미하지만 상승하는 것으로 나타났고, 금강의 미호천 합류점 상류구간은 합강도 골재채취로 인해 하상이 저하되었다.
후속연구
- 14 m 상승하는 것으로 나타났으며, 미호천은 약 3만 ㎥ 퇴적되는 것으로 나타나 현 상태와 비슷할 것으로 예측되었다. 특히, 금강의 경우 미호천 합류부 지점에서 하상의 퇴적이 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 장래 하천 계획 및 하도 유지관리시 이러한 변동특성에 유의하여야 할 것으로 사료된다.
- 이상과 같이 하도특성량과 하상변동 모의에 의한 장래 하상변동특성 분석은 하천개수계획, 습지 조성 및 복원계획, 기타 하천시설물 계획과 하천의 유지관리에 매우 중요하다. 특히, 하상의 세굴과 퇴적의 경향, 하도특성량을 고려하여 각종 계획과 유지관리를 실시할 경우 치수적으로 보강이 필요한 구간에 대한 치수대책의 수립, 하상저하로 인한 이수시설의 기능 확보, 수리적으로 안전한 구간에서의 식생호안 설치에 의한 하안의 다양성 또는 경관성 증대 등 치수, 이수적으로 안전하면서 보다 친환경적인 계획과 유지관리가 가능할 것이다.
- 향후에도 이와 같은 하상변동에 관한 조사와 연구가 지속적으로 이루어져 우리나라 하천의 하도특성에 관한 기초자료가 많이 축적되고, 이를 토대로 한 하천 및 습지계획수립과 적절한 유지관리가 시행되었으면 한다.
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